很有意思的问题因为目前常见的电磁学和电动力学的书中,基本都是对绝缘体的介电常数予以介绍,而对金属的介电常数很少提到事实上,金属的介电常数与外界环境的电磁波频率有关,我们一般需要用到金属介电常数时也基本都和电磁波课题相关。
金属的介电常数在低频和高频状态下会有显著的区别就我目前为止读过的文献,有关金属介电常数的选取基本都是引用前人发过的实验数据,但是不同的文章,可能得到的数据也是不同的,当然大体上还是相似的例如这几篇文章,数据就不是太一样:。
Optical Constants of the Noble MetalsOptical properties of metallic films for vertical-cavity optoelectronic devices
Determination ofplasma frequency, damping constant, and size distribution from the complexdielectric function of noble metal nanoparticles
金属的介电常数,应该叫复介电常数,实部表示对电磁波的色散,虚部表示对电磁波的吸收通常我们使用金属的自由电子气体模型(Drude模型)推导出金属介电常数的表达式:εr(ω)=1−ωp2ω(ω+iωc)arepsilon _{r} left( omega ight) =1-rac{omega _{p}^{2} }{omega left( omega +iomega _{c} ight) }
其中,ωomega 表示入射光的频率,ωcomega _{c} 表示阻尼频率,ωpomega _{p} 表示金属表面等离子体共振频率具体的推导过程可见文章《常用金属的Drude 参数》关于Drude模型题主可以去了解一下,包括为什么使用这个模型进行金属介电常数的计算。
但是,这个模型在低频状态下可以很好地吻合实验数据,在高频时误差极大在进行近可见光波段及以上波长的研究中,可以使用该模型简化计算,但是在进行紫外波段研究时,需要引入Lorentz-Drude模型进行修正,原因是金属在高频时, 金属内部的自由电子会发生
禁带跃迁, 需要考虑该因素的影响简要的模型修正是将上述公式中的1换成ε∞arepsilon _{infty } ,进行针对某一特定狭窄波段的修正,也只适用于相差十几nm的波段研究详细的Lorentz-Drude模型的推导上面几篇英文文献中都有大致提到,感兴趣的话还可以翻阅:。
4. Light scattering by a metallic nanoparticle coated with a nematic liquid crystal (2.3部分)5. Quantum plasmon resonances of individual
metallic nanoparticles6. Optical properties of noble metal clustersas a function of the size: comparison between experiments and a semi-quantal
theory这几篇文献都涉及到该模型的具体应用因为答主做过电磁波照射纳米金属表面的课题,可能这几篇扯得有点远,有兴趣可以看看几篇文章都涉及到关于阻尼频率ωcomega _{c} 和等离子体共振频率ωp
omega _{p} 的取值问题那么就一篇文章的数据,我们构造一个模型算一下我们取第二篇文章的数据分别构造Drude模型和Lorentz-Drude模型,用MATLAB编程下面贴一下Au和Ag的复介电常数随环境波长的变化。
我们可以看到,Lorentz-Drude模型和Drude模型在低频时相差不多,在高频时差距很大因为考虑电子禁带跃迁,实际上在高频时金属的介电系数波动非常明显且无规律性Au比Ag的波动要平缓些在日常生活中,我们一般认为金属暴露在可见光波段400nm-760nm间,用两种模型都可以得到一个大致的介电常数。
需要指出的是,上述四图采用的是第二篇文献的数据,不同文献数据不同,结果可能不同但应该相似文章《关于金属介电常数的讨论》也给出了理论方面的一些解释,包括为什么低频下金属的介电常数实部一般不大于10,以及在低频下金属可以视为导体,介电常数虚部不断变大,表明在不断吸收电磁波产生。
焦耳热,而在高频下反射投射电磁波而基本不吸收那么回到题主的问题,在不深入的探讨情况下,将金属看做是理想导体取的是低频极限情况下,也就是波长无穷大时,虚部取负无穷大,此时金属对于电磁波完全吸收,不发生任何反射,也就是金属介电常数的无穷大由来。
按照高中物理的解释,此时插入电容内,相当于有效距离变小,电容变大但是我觉得这么说有点蛋疼吧一般金属当做普通电介质处理的吧,毕竟高中物理好像还是考虑金属内部发生极化,理想导体没有极化这一说PS:答主仅本科物理,可能不够专业,有错误望指正。
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